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金丝桃苷是一种天然黄酮类化合物，广泛存在于各种植物体内，包括金丝桃科、蔷薇科、桔梗科、杜鹃花科等植物的果实和全草中。这种化合物具有抗炎、镇痛、抗氧化应激、抗细胞凋亡等多种生物活性，可用于生产保健品和药品。近年来，金丝桃苷的药理学作用已成为研究热点之一。

生物合成金丝桃苷是一种非常理想的生产方式，不过，现阶段，金丝桃苷的生物合成途径还未得到系统阐述。

在此背景下，中国药科大学的研究人员通过转录组分析等技术揭示了金丝桃花蕾中金丝桃苷的生物合成途径，并以柚皮素为底物成功构建了一条新的生物合成路径，金丝桃苷的产量达到了 25 mg/L。这项研究已发表在 Horticulture Research 上。

论文中指出，这项研究不仅解析了金丝桃苷在花蕾发育过程中的内部催化机制和生物活性，也为涉及到的酶家族提供了见解。

（来源：Horticulture Research）

本文的通讯作者之一是中国药科大学中药学院教授罗俊，他的研究方向是发现和合成结构新颖的萜类天然产物，并研究其生物活性；探索基于合成生物学和化学生态研究传统中药的化学成分。

金丝桃是一种自花授粉的双子叶植物，其花瓣可制成花茶，有助于缓解焦虑、改善睡眠。该研究团队此前在其花蕾中发现了大量的金丝桃苷，因此决定在花蕾中进一步揭示金丝桃苷的生物合成机制。

事实上，天然金丝桃苷的生物合成过程涉及到多种酶，包括 PAL（苯丙氨酸解氨酶）、C4H（肉桂酸 4-羟化酶）、CHS（查尔酮合成酶）、FLS（黄酮醇合酶）以及 F3'H（类黄酮 3'-羟化酶）等等。且除了 HaCHS 之外，大多数基因没有在金丝桃科植物中特异性表征，也没有系统阐明金丝桃苷在植物中的生物合成途径。

在这项研究中，该团队通过结合代谢特征、转录组测序和酶功能验证，揭示了一条在花蕾中以柚皮素为底物的金丝桃苷生物合成代谢途径。其中还鉴定出了这一代谢途径中的 4 种关键酶，分别为 HmF3H（黄烷酮-3-羟化酶）、HmFLS（黄酮醇合酶）、HmF3'H（类黄酮-3'-羟化酶）以及 HmGAT（类黄酮-3-O-半乳糖基转移酶）。

▲图｜在金丝桃花蕾中以柚皮素为底物构建的金丝桃苷生物合成途径（来源：上述论文）

该团队首先通过转录组测序发现金丝桃苷和 HmFLS1 之间存在直接相关性，证明 HmFLS1 可能在金丝桃苷的生物合成中发挥了主要作用。

在大肠杆菌 BL21 中，研究团队以柚皮素为底物，发现 HmF3H1 和 HmF3H2 可以在体内有效将柚皮素催化成二氢山奈酚（DHK），不过只有添加辅助因子之后，才能将碘二醇转化为二氢槲皮素（DHQ）；在体外反应中，它们会作为双功能酶催化柚皮素和戊二醇生成相应的二氢黄酮醇，并分别催化 DHK 和 DHQ 生成少量山奈酚和槲皮素。这表明，HmF3H 主要催化黄烷酮生成二氢黄酮醇（DHK 和 DHQ）。

然后，研究人员采用了类似的实验策略揭示 HmFLS1-3 的作用。在体内实验中，他们发现 HmFLS1-3 可以将二氢黄酮醇顺利转化为黄酮醇，其中 HmFLS1 转化二氢黄酮醇的能力更显著，甚至可以在大肠杆菌中将黄烷酮催化为黄酮醇和黄酮；体外试验进一步揭示了 HmFLS1-3 的多功能作用，催化 DHK 和 DHQ 生成山奈酚和槲皮素，催化黄烷酮生成二氢黄酮醇、黄酮醇和黄酮。

接下来，该团队探究了第三种关键酶 HmF3′H 的功能，体内外试验结果显示，HmF3'H 可以分别催化柚皮素、二氢山奈酚、山奈酚和芹菜素生成圣草酚、二氢槲皮素、槲皮素和木犀草素，尤其对前三种底物的催化效率更高。这进一步表明，HmF3'H 对 4'-羟基类黄酮中 3'-羟基化结构的特定作用。

HmGAT 是该团队鉴定的第四种关键酶。研究团队通过体内外试验证明 HmGAT 是金丝桃苷生物合成的关键酶，也是生物合成过程中的最后一步。

完成上述试验，研究团队成功鉴定出了金丝桃苷生物合成所需的四种关键酶，这些酶对底物的选择性暗示出了一种植物中金丝桃苷生物合成的代谢途径。即 HmF3H 和 HmFLS 催化黄烷酮生成二氢黄酮醇，也可以催化二氢黄酮醇生成黄酮醇；HmF3'H 催化 4 '-羟基类黄酮化合物生成 3 ',4 '-二羟基黄酮、二氢黄酮醇、黄酮醇等；HmGAT 则将黄酮醇转化为包括金丝桃苷在内的 3-o-半乳糖苷。

最后，研究人员尝试在工程化大肠杆菌 BL21 中以柚皮素为底物生产金丝桃苷。在最优反应条件下，以柚皮素为底物构建已确定的代谢通路，生产出了 25 mg/L 的金丝桃苷。

▲图｜在大肠杆菌 BL21 中重建金丝桃苷生物合成途径（来源：上述论文）

“我们的研究不仅阐明了一条金丝桃苷生物合成途径，而且证明了通过异源菌株生物合成途径重建和条件优化可获得目标化合物。”

参考链接：

https://academic.oup.com/hr/article/10/9/uhad166/7244671?login=false

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